最新研究成果 | 超靈敏靶向代謝組學(xué) | 清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平課題組及合作者揭示小鼠著床前胚胎發(fā)育過(guò)程的代謝重塑與代謝調(diào)控
時(shí)間：2021-10-19 22:42:01學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
2021年10月14日，清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平課題組與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心張進(jìn)課題組合作在《Nature Metabolism》上發(fā)表題為“Metabolic remodelling during early mouse embryo development”的研究論文。該論文通過(guò)超靈敏代謝組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)描繪了小鼠著床前胚胎發(fā)育過(guò)程中的代謝重塑，并揭示了關(guān)鍵代謝物L(fēng)-2-羥基戊二酸（L-2-hydroxyglutarate, L-2-HG）通過(guò)影響表觀遺傳修飾參與調(diào)節(jié)早期胚胎發(fā)育和細(xì)胞命運(yùn)的分子機(jī)制。
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代謝調(diào)控與胚胎發(fā)育、衰老、免疫等多種生理過(guò)程以及腫瘤等諸多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。代謝組學(xué)是研究代謝調(diào)控、闡明代謝機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)代謝組學(xué)技術(shù)仍存在靈敏度不足、代謝物覆蓋度窄等瓶頸，無(wú)法檢測(cè)到具有重要生物學(xué)活性的低豐度代謝物，通常需要百萬(wàn)以上細(xì)胞的樣本量才能實(shí)現(xiàn)代謝組學(xué)分析。然而，干細(xì)胞、發(fā)育、免疫等領(lǐng)域的代謝研究可及樣本通常極為有限（如每只小鼠僅有約數(shù)千個(gè)造血干細(xì)胞），無(wú)法獲得現(xiàn)有技術(shù)通常所需的樣本量，成為嚴(yán)重制約代謝研究的主要矛盾和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
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針對(duì)這一挑戰(zhàn)，胡澤平課題組長(zhǎng)期致力于研發(fā)超靈敏、高精準(zhǔn)的代謝組學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建了一系列基于色譜-質(zhì)譜平臺(tái)的超靈敏靶向代謝組學(xué)和代謝流分析方法，率先實(shí)現(xiàn)了在微量（~5,000）造血干細(xì)胞中進(jìn)行代謝組學(xué)分析[1]，并進(jìn)一步發(fā)展了基于新型衍生化策略的更靈敏代謝組學(xué)技術(shù)[2]；以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了多項(xiàng)腫瘤及病毒感染等疾病的代謝重塑及機(jī)制研究[3-6]。
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哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育過(guò)程，伴隨著細(xì)胞的分裂和增殖，以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和表觀遺傳重塑的急劇變化，細(xì)胞代謝在這個(gè)過(guò)程中也一定具有重要作用[7]。然而由于早期胚胎可及樣本量極少，難以采用常規(guī)代謝組學(xué)分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行全景式分析研究，尚未見(jiàn)對(duì)早期胚胎進(jìn)行系統(tǒng)性代謝研究的報(bào)道[8]。
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在本研究中，基于胡澤平課題組前期建立的超靈敏靶向代謝組學(xué)方法，研究團(tuán)隊(duì)首次在100個(gè)小鼠早期胚胎中開(kāi)展代謝組學(xué)分析，探究了二細(xì)胞胚胎與囊胚的代謝特征差異。
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研究發(fā)現(xiàn)，二細(xì)胞胚胎中甲硫氨酸、精胺/亞精胺和煙酰胺等代謝通路的代謝物水平升高，而囊胚中TCA循環(huán)和嘌呤代謝通路的代謝物上調(diào)。值得注意的是，TCA通路的重要代謝物α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG）在囊胚中呈現(xiàn)較高水平，而其競(jìng)爭(zhēng)性代謝物2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutaric acid，2-HG）則在二細(xì)胞期胚胎中水平更高（圖1）。
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2-HG主要有D型和L型兩種鏡像異構(gòu)體。
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研究團(tuán)隊(duì)首先采用LC-MS技術(shù)鑒定了胚胎中檢測(cè)到的是通常生理?xiàng)l件下存在的L-2-HG。定量分析結(jié)果顯示卵母細(xì)胞中L-2-HG含量高達(dá)mM級(jí)，且隨著受精后胚胎的發(fā)育，L-2-HG含量逐漸降低。
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基于這一發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步的功能研究顯示在早期胚胎體外培養(yǎng)過(guò)程中添加外源性L-2-HG可阻礙胚胎的發(fā)育；而抑制發(fā)育過(guò)程中L-2-HG水平的降低，則可造成H3K4me3等組蛋白修飾擦除的阻滯（圖2）。此外，清除L-2-HG的L-2-羥基戊二酸脫氫酶(L2hgdh) 在二細(xì)胞胚胎后期表達(dá)量急劇上升。通過(guò)siRNA敲低L2hgdh的表達(dá)，可以造成L-2-HG水平上升，以及H3K4me3擦除的阻滯。
綜上，本研究通過(guò)對(duì)小鼠早期胚胎發(fā)育進(jìn)行代謝組學(xué)研究，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，系統(tǒng)繪制了哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的代謝重塑和代謝調(diào)節(jié)的過(guò)程。研究結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步深入了解早期胚胎發(fā)育的代謝調(diào)節(jié)過(guò)程。另外，本研究也有助于增進(jìn)關(guān)于體外培養(yǎng)胚胎的營(yíng)養(yǎng)條件如何影響胚胎發(fā)育的認(rèn)識(shí)，從而為未來(lái)提升體外受精和胚胎培養(yǎng)等人工輔助生殖等關(guān)鍵技術(shù)的效率提供新知識(shí)。
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清華大學(xué)藥學(xué)院博士生姚珂，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生趙靜，博士后余華、張玲、博士生徐雨雁為該論文的共同第一作者。清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平研究員、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張進(jìn)研究員為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部“發(fā)育編程及其代謝調(diào)節(jié)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、清華-北大生命聯(lián)合中心等項(xiàng)目支持。
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參考文獻(xiàn)
1. Agathocleous, M., et al., Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis.?Nature, 2017. 549(7673): p. 476-481.
2. Meng, X., et al., Simultaneous 3-Nitrophenylhydrazine Derivatization Strategy of Carbonyl, Carboxyl and Phosphoryl Submetabolome for LC-MS/MS-Based Targeted Metabolomics with Improved Sensitivity and Coverage.?Anal Chem, 2021. 93(29): p. 10075-10083.
3. Pang, H., et al., Aberrant NAD(+) metabolism underlies Zika virus-induced microcephaly.?Nat Metab, 2021. 3(8): p. 1109-1124.
4. Li, X.K., et al., Arginine deficiency is involved in thrombocytopenia and immunosuppression in severe fever with thrombocytopenia syndrome.?Sci Transl Med, 2018. 10(459).
5. Huang, F., et al., Inosine Monophosphate Dehydrogenase Dependence in a Subset of Small Cell Lung Cancers.?Cell Metab, 2018. 28(3): p. 369-382.e5.
6. Xiao, N., et al., Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19 patients with therapeutic implications.?Nat Commun, 2021. 12(1): p. 1618.
7. Xia, W. and W. Xie, Rebooting the Epigenomes during Mammalian Early Embryogenesis.?Stem Cell Reports, 2020. 15(6): p. 1158-1175.
8. Zhang, J., et al., Metabolism in Pluripotent Stem Cells and Early Mammalian Development.?Cell Metab, 2018. 27(2): p. 332-338.
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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-021-00464-x#citeas
代謝調(diào)控與胚胎發(fā)育、衰老、免疫等多種生理過(guò)程以及腫瘤等諸多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。代謝組學(xué)是研究代謝調(diào)控、闡明代謝機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)代謝組學(xué)技術(shù)仍存在靈敏度不足、代謝物覆蓋度窄等瓶頸，無(wú)法檢測(cè)到具有重要生物學(xué)活性的低豐度代謝物，通常需要百萬(wàn)以上細(xì)胞的樣本量才能實(shí)現(xiàn)代謝組學(xué)分析。然而，干細(xì)胞、發(fā)育、免疫等領(lǐng)域的代謝研究可及樣本通常極為有限（如每只小鼠僅有約數(shù)千個(gè)造血干細(xì)胞），無(wú)法獲得現(xiàn)有技術(shù)通常所需的樣本量，成為嚴(yán)重制約代謝研究的主要矛盾和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
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針對(duì)這一挑戰(zhàn)，胡澤平課題組長(zhǎng)期致力于研發(fā)超靈敏、高精準(zhǔn)的代謝組學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建了一系列基于色譜-質(zhì)譜平臺(tái)的超靈敏靶向代謝組學(xué)和代謝流分析方法，率先實(shí)現(xiàn)了在微量（~5,000）造血干細(xì)胞中進(jìn)行代謝組學(xué)分析[1]，并進(jìn)一步發(fā)展了基于新型衍生化策略的更靈敏代謝組學(xué)技術(shù)[2]；以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了多項(xiàng)腫瘤及病毒感染等疾病的代謝重塑及機(jī)制研究[3-6]。
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哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育過(guò)程，伴隨著細(xì)胞的分裂和增殖，以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和表觀遺傳重塑的急劇變化，細(xì)胞代謝在這個(gè)過(guò)程中也一定具有重要作用[7]。然而由于早期胚胎可及樣本量極少，難以采用常規(guī)代謝組學(xué)分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行全景式分析研究，尚未見(jiàn)對(duì)早期胚胎進(jìn)行系統(tǒng)性代謝研究的報(bào)道[8]。
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在本研究中，基于胡澤平課題組前期建立的超靈敏靶向代謝組學(xué)方法，研究團(tuán)隊(duì)首次在100個(gè)小鼠早期胚胎中開(kāi)展代謝組學(xué)分析，探究了二細(xì)胞胚胎與囊胚的代謝特征差異。
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研究發(fā)現(xiàn)，二細(xì)胞胚胎中甲硫氨酸、精胺/亞精胺和煙酰胺等代謝通路的代謝物水平升高，而囊胚中TCA循環(huán)和嘌呤代謝通路的代謝物上調(diào)。值得注意的是，TCA通路的重要代謝物α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG）在囊胚中呈現(xiàn)較高水平，而其競(jìng)爭(zhēng)性代謝物2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutaric acid，2-HG）則在二細(xì)胞期胚胎中水平更高（圖1）。
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圖1. 二細(xì)胞胚胎和囊胚的代謝特征差異
?2-HG主要有D型和L型兩種鏡像異構(gòu)體。
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研究團(tuán)隊(duì)首先采用LC-MS技術(shù)鑒定了胚胎中檢測(cè)到的是通常生理?xiàng)l件下存在的L-2-HG。定量分析結(jié)果顯示卵母細(xì)胞中L-2-HG含量高達(dá)mM級(jí)，且隨著受精后胚胎的發(fā)育，L-2-HG含量逐漸降低。
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基于這一發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步的功能研究顯示在早期胚胎體外培養(yǎng)過(guò)程中添加外源性L-2-HG可阻礙胚胎的發(fā)育；而抑制發(fā)育過(guò)程中L-2-HG水平的降低，則可造成H3K4me3等組蛋白修飾擦除的阻滯（圖2）。此外，清除L-2-HG的L-2-羥基戊二酸脫氫酶(L2hgdh) 在二細(xì)胞胚胎后期表達(dá)量急劇上升。通過(guò)siRNA敲低L2hgdh的表達(dá)，可以造成L-2-HG水平上升，以及H3K4me3擦除的阻滯。
圖2.?L-2-HG 的減少促進(jìn)了早期胚胎發(fā)育過(guò)程中組蛋白甲基化的擦除
?綜上，本研究通過(guò)對(duì)小鼠早期胚胎發(fā)育進(jìn)行代謝組學(xué)研究，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，系統(tǒng)繪制了哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的代謝重塑和代謝調(diào)節(jié)的過(guò)程。研究結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步深入了解早期胚胎發(fā)育的代謝調(diào)節(jié)過(guò)程。另外，本研究也有助于增進(jìn)關(guān)于體外培養(yǎng)胚胎的營(yíng)養(yǎng)條件如何影響胚胎發(fā)育的認(rèn)識(shí)，從而為未來(lái)提升體外受精和胚胎培養(yǎng)等人工輔助生殖等關(guān)鍵技術(shù)的效率提供新知識(shí)。
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清華大學(xué)藥學(xué)院博士生姚珂，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生趙靜，博士后余華、張玲、博士生徐雨雁為該論文的共同第一作者。清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平研究員、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張進(jìn)研究員為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了科技部“發(fā)育編程及其代謝調(diào)節(jié)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、清華-北大生命聯(lián)合中心等項(xiàng)目支持。
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參考文獻(xiàn)
1. Agathocleous, M., et al., Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis.?Nature, 2017. 549(7673): p. 476-481.
2. Meng, X., et al., Simultaneous 3-Nitrophenylhydrazine Derivatization Strategy of Carbonyl, Carboxyl and Phosphoryl Submetabolome for LC-MS/MS-Based Targeted Metabolomics with Improved Sensitivity and Coverage.?Anal Chem, 2021. 93(29): p. 10075-10083.
3. Pang, H., et al., Aberrant NAD(+) metabolism underlies Zika virus-induced microcephaly.?Nat Metab, 2021. 3(8): p. 1109-1124.
4. Li, X.K., et al., Arginine deficiency is involved in thrombocytopenia and immunosuppression in severe fever with thrombocytopenia syndrome.?Sci Transl Med, 2018. 10(459).
5. Huang, F., et al., Inosine Monophosphate Dehydrogenase Dependence in a Subset of Small Cell Lung Cancers.?Cell Metab, 2018. 28(3): p. 369-382.e5.
6. Xiao, N., et al., Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19 patients with therapeutic implications.?Nat Commun, 2021. 12(1): p. 1618.
7. Xia, W. and W. Xie, Rebooting the Epigenomes during Mammalian Early Embryogenesis.?Stem Cell Reports, 2020. 15(6): p. 1158-1175.
8. Zhang, J., et al., Metabolism in Pluripotent Stem Cells and Early Mammalian Development.?Cell Metab, 2018. 27(2): p. 332-338.
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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-021-00464-x#citeas
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